使用機械結構實現紅外光學系統無熱化

封榮凱

廣西奧順儀器有限公司

使用機械結構實現紅外光學系統無熱化

封榮凱

廣西奧順儀器有限公司

當前，國內的機械加工裝配水平可以滿足系統的性能和精度要求，機械被動式方法具有推廣應用的潛力。在使用機械結構中，要保證紅外光學系統在較寬的溫度范圍內穩定工作，就必須消除溫度對紅外光學系統的影響，即對紅外光學系統進行無熱化設計。無熱化設計是利用不同手段消除環境溫度變化對光學系統性能的影響。基于此，文章就使用機械結構實現紅外光學系統無熱化進行簡要的分析。

使用機械結構；紅外光學系統；無熱化

1.使用簡單機械結構實現無熱化的原理

使用簡單機械結構實現紅外光學系統無熱化是在光學系統中外加簡單機械結構，利用結構的熱膨脹，抵消補償像面的熱漂移。

據國外報道，機械被動式方法常用的簡單機械結構主要有三種：雙/多層鏡筒結構、雙/多層支撐桿結構和周向驅動-凸輪結構。

雙/多層鏡筒結構和雙/多層支撐桿結構均利用不同層結構材料的熱膨脹系數差來實現熱驅動。圖1 為這兩種結構的原理圖。周向驅動-凸輪結構利用結構材料的周向膨脹驅動凸輪進而實現軸向驅動。圖 2 顯示了兩種周向驅動- 凸輪結構的原理圖。

圖1 雙/多層鏡筒結構和雙/多層支撐結構的原理圖

圖2 兩種周向驅動- 凸輪結構

2.紅外光學系統無熱化設計的途徑

2.1 適用于紅外熱成像的光學材料

首先應找到適用于紅外熱成像的光學材料，并綜合考慮紅外系統對光學材料的要求。目前國內適用于熱成像的紅外光學材料只有4種——鍺、硅、硒化鋅和Ge30As10Se60。表1列出這4種材料的光學特性和熱特性，表中dn/dt是折射率溫度變化系數，Xf是光學熱膨脹系數。Ge30As10Se60是由鍺、砷和硒以近似30：10：60的比例生產出來的玻璃質材料，是仿制美國的AMTIR-I材料。

表1 可用紅外光學材料的光學特性和熱特性(25℃)

該材料為國內首創，材料的技術指標達到國外同類產品水平。用一個設計實例進行研究討論，其技術指標為：

(1)光譜范圍：3～5μm，中心波長4μm；(2)焦距：f=120mm；(3)通光口徑：D=95mm；(4)紅外探測器：320×240，單個探測器像元面積為：20μm×20μm；(5)像質要求：0～50%視場的像質不低于衍射限的80%；50%至全視場的像質不低于衍射限的50%；(6)后工作距：≥10mm；(7)系統總長：≤100mm。根據(2)和(4)中的指標可計算出設計實例的全視場為3.8°。根據(1)～(3)中的指標可計算出設計實例的焦深范圍為±12.8μm。

2.2 球面系統光學材料匹配

2.2.1 單透鏡結構和雙分離結構

這兩種結構都不能滿足光學系統消像差要求，因此常溫下不能找到滿足像質要求的系統。進行無熱化設計首先要找到常溫下像質滿足要求的系統，討論溫度變化才有意義。

2.2.2 三片式結構和四片式結構

(1)三片式結構通過軟件設計得到常溫下可以接受的三片式系統材料組合有：硅、鍺和硅；硅、鍺和硒化鋅，并分別簡稱為SGS和SGZ。(2)四片式結構通過軟件設計得到常溫下可以接受的四片式系統材料組合有5種：1)硅、鍺、硅和硅；2)硅、硅、鍺和硅；3)硅、硅、鍺和鍺；4)硅、硅、鍺和硒化鋅；5)硅、鍺、硒化鋅和硅，并分別簡稱為SGSS、SSGS、SSGG、SS-GZ和SGZS。

2.2.3 五片及以上結構

如果在四片式結構的基礎上再增加透鏡，則系統的結構比較復雜，裝調精度不易保證，而且系統的透過率大大下降。所以研究僅限于四片以下的系統結構。

3.設計實例

光學系統參數：

波長范圍 8000nm～12000nm

焦距 200mmF#4

紅外探測器/元320×240像元

大小 0.03mm×0.03mm

3.1 不考慮消熱差的設計

使用一塊Ge透鏡完成設計，為使彌散圓小于像元大小0.03mm×0.03mm，采用非球面設計。用光學設計軟件對其焦距和彌散圓尺寸隨溫度的變化進行分析，如表2所示，它給出了當環境溫度變化時，系統焦距和彌散圓尺寸的變化情況。在常溫20℃時彌散圓尺寸為0.028mm，小于像元大小，滿足像差要求，但在其他溫度點，彌散圓尺寸超過了像素大小，不能滿足設計要求，同時，隨著溫度的變化，焦距變化也比較明顯。

表2 不考慮消熱差時焦距和像差隨溫度的變化情況

3.2 光學被動式消熱差設計

當使用Ge-ZnSe-ZnS玻璃組合時，由于焦距為200mm，將組合玻璃材料的光焦度轉化為焦距，然后放大到200mm，則Ge透鏡的焦距為-263.16mm；ZnSe透鏡的焦距為68.49mm；ZnS透鏡的焦距為-172.4mm。在優化過程中，保持總焦距不變，只改變某個單透鏡的2個半徑，必要時可以使用非球面設計，這樣，保證了各個單透鏡的焦距也不改變，因而不會影響到前面的消熱差條件。由于在優化過程中假定透鏡為緊密型，因而邊緣光線到每個面上的高度一致，但在實際設計過程中，由于透鏡厚度的存在，邊緣光線的高度總存在差別，為保證整個系統的焦距為200mm，Ge透鏡的焦距將變為254.4mm，ZnSe和ZnS的焦距不變，由于焦距分配的改變，熱差就不可能為零，因而焦距發生一定的偏移。設計結果如圖3所示。

圖3 消熱差設計結果

光學設計軟件對其焦距和彌散圓尺寸隨溫度的變化進行分析，當環境溫度變化時組合透鏡焦距和彌散圓尺寸的變化情況。在-40℃～60℃溫度范圍內彌散圓尺寸基本不變，滿足像差設計要求，同單個透鏡設計結果相比較，其焦距隨溫度基本保持不變。

綜上，在常用的結構件材料中選擇材料制作結構件，球面系統光學材料匹配后不能消除紅外熱效應。可以在較大視場內獲得接近衍射極限的成像質量，具有較寬的工作溫度范圍，而且結構簡單，工作可靠。

[1]李利.雙波段紅外光學系統的無熱化設計[D].南京航空航天大學，2012.

[2]呂天宇，楊飛，明名.基于波前編碼技術紅外光學系統無熱化研究[J].長春理工大學學報(自然科學版)，2012，02：26-28.

[3]劉欣，劉春華，潘枝峰，羅京平.機載復雜紅外光學系統無熱化補償方法研究[J].電光與控制，2012，07：68-70+93.